ذرات شبح گون کیهانی و رصدخانه بزرگ آیس کیوب برنده نوبل فیزیک 2026 شدند - گردش مهاجر

ذرات شبح گون که در فیزیک با نام نوترینو (Neutrino) شناخته می شوند، جرمی نزدیک به صفر دارند و بار الکتریکی آن ها خنثی است. همین ویژگی های منحصربه فرد سبب می گردد این ذرات بنیادین تقریباً بدون کوچک ترین واکنشی از میان هر ماده ای در دنیا رد شوند. در هر ثانیه حدود صد تریلیون نوترینو که در قلب خورشید متولد شده اند، از کالبد تک تک ما عبور می نمایند. این جریان مدام حتی در نیمه های شب هم قطع نمی گردد؛ این ذرات بدون برخورد با اتم ها کل قطر کره زمین را درمی نوردند و از بستر خواب ما می گذرند، بی آنکه سرسوزنی حس شوند.

شناسایی پیغام رسان های نامرئی از ژرفای فضا

کوره هسته ای خورشید تنها خاستگاه این ذرات در کیهان نیست. انفجارهای مرگبار ابرنواختری، ستاره های در حال فروریزش و گرداب های سهمگین ماده پیرامون سیاه چاله های کلان جرم نیز بی وقفه نوترینو فراوری می نمایند. چون نوترینوها بار الکتریکی ندارند، میدان های مغناطیسی سرکش میان کهکشانی مسیر حرکت آن ها را کج نمی نمایند و سدهای نفوذناپذیر گاز و غبار فضایی هم جلودارشان نیست.

آن ها خطی مستقیم و دست نخورده از دورافتاده ترین رویدادهای گیتی تا زمین ترسیم می نمایند؛ پیغامی خالص و شفاف از دل تاریک ترین ناشناخته ها که فوتون های نوری هرگز توان بیرون کشیدن آن را ندارند. با این همه، به دام انداختن ذره ای که ماده را نادیده می گیرد، کابوسی تجربی برای آزمایشگاه ها بود.

نخستین بار در سال 1987 بود که هالزن پیشنهاد داد از لایه های قطور یخ به عنوان آشکارساز طبیعی استفاده گردد. پیش تر فیزیکدانان در رصدخانه هایی مانند سوپرکامیوکانده (Super-Kamiokande) در ژاپن از مخازن بزرگ آب فوق خالص در اعماق معادن زیرزمینی یاری گرفته بودند؛ آبی چنان خالص و عاری از یون که خاصیت خورندگی پیدا می نماید اما ذره ای ناخالصی نوری ندارد.

سازوکار این آشکارسازها بسیار جالب است: در مواردی نادر، نوترینویی پرانرژی مستقیماً با یک هسته اتم درون آب یا یخ تصادف می نماید. این برخورد شدید موجب زایش ذره ای باردار مانند میون می گردد که سرعتی بیشتر از سرعت فاز نور در آن محیط دارد و مخروطی از نور آبی رنگ به نام تابش چرنکوف (Cherenkov Radiation) پدید می آورد. ایده جسورانه هالزن نخست در مقیاسی کوچک تر با آرایه آشکارساز میون و نوترینو در جنوبگان موسوم به آماندا (AMANDA) آزموده شد و کارایی بستر قطب را به اثبات رساند.

رصدخانه آیس کیوب و شکار نور در اعماق یخ های قطبی

رصدخانه آیس کیوب (IceCube) همین اصل فیزیکی را در مقیاسی غول پیکر به کار بست و یک کیلومتر مکعب از یخ های جاودان قطب جنوب را به آشکارسازی نجومی تبدیل کرد. در اعماق هزار و پانصد تا دو هزار و پانصد متری یخچال های جنوبگان، فشار سنگین لایه های بالایی حباب های هوا را در طول ده ها هزار سال فشرده و حل نموده است. در این تاریکی مطلق، زلالی و خلوص یخ حتی از زلال ترین شیشه های آزمایشگاهی ساخت دست بشر فراتر می رود.

پژوهشگران بیش از پنج هزار حسگر نوری حساس را به مانند دانه های تسبیح در این مکعب یخی معلق کردند تا بارقه های تابش چرنکوف را به داده های دیجیتال تبدیل نمایند. حسگرها با مقدار گیری دقیق زمان ثبت فوتون ها در مقیاس نانوثانیه، امتداد دقیق حرکت نوترینو را بازسازی می نمایند تا بفهمند ذره از کدام گوشه کیهان به زمین شلیک شده است.

آیس کیوب تا امروز ده ها سرنخ دگرگون نماینده به ثبت رسانده است. این ایستگاه نوترینوهایی را ردیابی نموده که از کهکشان های فعال دیگر، صفحه کهکشان راه شیری، سیاهچاله های فوق العاده سنگین و کانون های طوفانی ستاره زایی گسیل شده اند. هالزن تیمی متشکل از صدها دانشمند و مهندس را گرد هم آورد تا این رؤیا را محقق کند.

کمیته نوبل پایداری، سرسختی و نگرش علمی هالزن را زیربنای نوعی کاملاً نو از اخترشناسی خواند. جالب اینکه هالزن لحظاتی پس از دریافت تماس آموزشگاه نوبل اعلام نمود که روی پروپوزال علمی جدیدی کار می نماید و امیدوار است اعتبار این جایزه مراحل تأیید طرح بعدی اش را تسهیل کند.

مته های آب گرم و چالش حفر سیاهچاله های یخی

استقرار این تلسکوپ زیرزمینی با چالش های فنی بی سابقه ای روبه رو بود. در سرمای طاقت فرسای منفی پنجاه درجه فلات قطب جنوب، هیچ مته مکانیکی و مته های حفاری فلزی مرسوم توانایی سوراخ کردن یخ فشرده تا عمق دو و نیم کیلومتری را بدون شکستن یا گیرپاژ کردن نداشتند. اگر مته معمولی درون چاه گیر می کرد، کل پروژه با شکست مالی و زمانی سنگینی روبرو می شد.

مهندسان برای دور زدن این بن بست، سامانه مته آب داغ خارق العاده ای ساختند که آب را تا نزدیکی نقطه جوش داغ می کرد و با فشاری بزرگ به دل یخ شلیک می نمود. این سامانه در طول شبانه روز میلیون ها لیتر آب داغ را به لایه های منجمد تزریق کرد و پیروز شد هشتاد و شش چاه عمودی به عمق دو هزار و پانصد متر پدید آورد.

چالش بعدی پنجره زمانی بسیار تنگ بود. آب موجود در چاه های دو کیلومتری در سرمای انجماد قطب تنها حدود چهل و هشت ساعت مایع باقی می ماند و پس از آن دوباره به دیواره ای نفوذناپذیر تبدیل می شد. تکنسین ها باید کابل های حامل حسگرهای نوری را در همین فرصت طلایی درون ستون آب فرو می بردند تا در آغوش یخ باستانی برای دهه ها جاودانه شوند.

مقایسه بزرگ ترین پروژه های رصد نوترینو در دنیا

برای درک بهتر جایگاه تاریخی آیس کیوب و نحوه تکامل آشکارسازهای نوترینو، جدول زیر ویژگی های فنی شاخص ترین آزمایشگاه های تاریخ این حوزه را مقایسه می نماید:

توسعه تلسکوپ های نوترینو به ژرفای دریاها

پیروزی چشمگیر آیس کیوب پنجره ای فراتر از یخ های قطبی گگردد. اخترفیزیکدانان دریافتند که آب شور و عمیق دریاها نیز محیطی ایده آل برای به دام انداختن نور چرنکوف است. هم اکنون پروژه بین المللی کی ام تری نت (KM3NeT) در اعماق دریای مدیترانه با غوطه ور کردن زنجیره های سنسور در عمق چند هزار متری آب پیگیری می گردد.

فازهای آزمایشی مدیترانه پدیده هایی نوظهور به ثبت رسانده اند؛ از جمله نوترینوهایی با مقادیر انرژی فراتر از تصور که منابع منشأ آن ها هنوز برای جامعه علمی مبهم است. در کنار این پروژه ها، دانشمندان در چین نیز طرح های بلندپروازانه ای برای ساخت تلسکوپ های زیرآبی غول آسا در دریای جنوبی چین پیشنهاد داده اند تا نیمکره های رصدی زمین را به طور همزمان پوشش دهند.

این گام ها به وضوح نشان می دهند که ذرات شبح گون کلید دسترسی به آن بخش از گیتی هستند که هیچ تلسکوپ نوری یا رادیویی توان تماشا آن را ندارد. علم تجربی اکنون در سپیده دم شیوه ای نوین از نگریستن به تاریکی کیهان ایستاده است.